关键词： 压电变压器(PT)   温度特性   负载特性   导纳不动点   恒功率驱动  

摘要： 相比于传统的电磁变压器,压电变压器(piezoelectric transformer,PT)拥有频率响应高、功率密度高等诸多优点,在集成化、小型化的趋势下,压电变压器具有很大的发展潜力。压电变压器是一种振动型电子元件,工作频率对其输入输出特性有着很大的影响,然而在实际使用过程中,温度和负载的变化会对PT的频率特性造成一定的改变,使得PT在这些场合可能无法满足工作要求。为了提高PT的使用稳定性并拓展PT的使用范围,本文对PT的阻抗温度与负载频率特性进行了研究,并通过理论、仿真与实验等方法研究了其相应的变化规律。在PT阻抗负载特性研究的过程中,论文还发现了导纳不动点的存在,并基于导纳不动点提出了一种PT恒功率驱动方案。通过压电器件的恒功率驱动,避免因负载变化引起驱动电流的突变,实现短路保护。本论文的主要研究内容如下: (1)温度对压电参数的影响分析与实验。论文从压电本构方程出发,首先根据理论关系将压电参数与压电效应建立关联,调研分析压电参数随温度的变化特性,并对部分压电参数进行实验测量,获取压电材料的参数随温度变化的特性规律。 (2)压电变压器阻抗温度特性仿真与实验。基于压电参数随温度的变化关系,通过有限元多物理场仿真软件COMSOL对PT的阻抗特性进行仿真。通过模态仿真与频域稳态分析,论文研究了PT在平面扩张模态下谐振频率随温度的变化关系,并详细研究了PT的导纳频率特性曲线随温度变化的偏移情况。相关PT阻抗测量实验也验证了仿真结果的正确性。 (3)集成式压电变压器(integrated piezoelectric transformer,IPT)的阻抗温度特性分析。文章首先通过仿真证实了IPT在外接负载的情况下依然存在优异感性特征。然后基于阻抗温度特性的研究方法,研究了温度对IPT阻抗相位的影响,研究结果表明温度造成IPT感性区间的偏移,但不会影响感性区间的大小。 (4)压电变压器等效电路模型的推导及等效电路参数的测量。论文首先对单片独立压电振子的等效电路模型进行了理论分析,并推导出PT外接负载的等效电路模型,从而分析PT谐振频率随负载的变化关系。针对特定的等效参数,论文通过实验对PT的等效电路参数进行了实验测量。 (5)压电变压器负载特性研究及恒功率驱动。基于PT的带载等效电路模型,论文首先通过理论分析、仿真模拟绘制出PT阻抗随负载变化的频率特性曲线,并且仿真数据与实验结果非常吻合。其次,通过分析PT阻抗频谱的负载特性曲线,论文发现了PT导纳不动点的存在,通过对导纳不动点的深入分析和研究,实现了PT恒功率驱动。

关键词： 牵引变压器   储能系统   10k V系统   长大坡道   容量优化  

摘要： 随着我国铁路行业的快速发展,在高速铁路运营里程不断增加、行车速度不断提高的同时,也带来了更大的能耗需求,据统计,2022年国家铁路能源消耗折算标准煤就达到1512.58万吨。电气化铁路经过了多次大提速,牵引供电系统能耗问题已逐渐严重,因此,降低电气化铁路能耗有助于“低碳交通”的实现。电力机车在高速铁路长大坡道区段运行时,牵引负荷具有冲击性强、变化频率快、峰谷差距大等特点,导致牵引变压器以负荷需求为安装容量。牵引变压器瞬时负载率高而全日平均负载率低,产生了大量电费成本,严重影响了系统的经济性。同时,在高速铁路长大坡道区段,电力机车产生了大量的再生制动能量只能实现较少部分的利用,剩余能量返送于公共电网会造成浪费。因此考虑引入储能与铁路10k V配电系统(后文简称为10k V系统)协调配合对高速铁路长大坡道牵引变压器容量进行优化,以减小牵引变压器的安装容量,提高再生制动能量的利用率。这对于高铁节能运行,提升系统经济性具有重要的现实意义。本文以高速铁路长大坡道为背景,以实现牵引变压器容量优化为目标,采用混合储能与10k V系统联合配置对再生制动能量进行存储利用,进而降低牵引变压器的安装容量,提升系统经济性。本文首先阐述了不同类型变压器容量优化及牵引供电系统中储能技术的研究现状,总结了含有储能的交流牵引供电系统(AC Traction Power Supply Systems,AC-TPSS)的不同结构及优缺点。在此基础上,确定了储能接入AC-TPSS的整体结构,并对系统能量流动机理、功率分配和运行工况进行分析,根据功率分配策略对高速铁路牵引负荷实测数据进行处理,为牵引变压器的容量优化配置提供基础数据。然后以等年值经济效益为目标,考虑超级电容储能系统对再生制动能量的存储利用,建立了牵引变压器的容量优化配置模型,分别利用PSO与LWOA算法进行牵引变压器的容量优化。最后考虑混合储能与10k V系统配合,给出了混合储能与10k V系统接入AC-TPSS结构,通过制定相互匹配的功率分配策略,建立了以系统等年值成本最低为目标的适合于混合储能与10k V系统的牵引变压器容量优化模型,并利用LWOA算法进行牵引变压器容量优化,进而将单一超级电容储能、混合储能与10k V系统配合两种方案容量优化的结果对比分析。通过在MATLAB平台中建立单一超级电容储能的牵引变压器容量优化配置模型、混合储能与10k V系统联合配置的容量优化配置模型并进行对比计算分析,利用优化算法将两种方案与未进行优化的方案进行对比分析,两种方案分别降低了经济成本5.8%与10.7%,混合储能与10k V系统相较于单一超级电容储能经济成本降低了5.2%,验证了牵引变压器容量优化配置方法的有效性。

关键词： 变压器油   气泡   电场强度   聚并   湍流   层流   形变  

摘要： 油浸式变压器作为电力系统最重要的核心设备,其安全问题直接影响整个电力系统的稳定运行,其中的变压器油对变压器的绝缘起到重要作用。变压器油受潮及劣化分解等状况会析出气体乃至形成悬浮气泡,受电磁、热、流等多物理场耦合作用,气泡将呈现出极其复杂的电流体动力学行为,从而显著影响变压器油的绝缘性能,因此研究变压器油中气泡的形态演变和运动规律具有重要意义。在运动过程中当多个气泡之间的距离足够近时,此时有可能出现气泡聚并行为。本文采用湍流运动模型和层流运动模型相结合的方式分别模拟不同环境下变压器油流状态,利用有限元仿真软件COMSOL Multiphysics构建了多场耦合作用下悬浮气泡的动力学分析模型,研究了极间电压、油流速度、气泡尺寸及气泡数目等因素对悬浮气泡聚并行为的影响,并分析了气泡形态演变过程中其内部电场的分布特征。研究结果表明,湍流运动状态下,极间电压的升高、气泡尺寸的增大均延迟气泡聚并行为的发生,气泡一旦开始聚并形成连接体,其内部场强将呈现极大值,且该极大值与极间电压、气泡尺寸呈正相关变化;油流速度和气泡数目的增加将促使气泡聚并行为提前发生;油流速度越大,气泡受到的压力梯度和形变越大,气泡连接体内部场强越小,而气泡数量增加将导致气泡连接体内部场强随之增大。气泡相对角度越大,聚并发生的时间越晚,场强越小。层流运动状态下,极间电压的升高、气泡尺寸的增大及气泡相对角度的增大均使得气泡聚并时间发生延迟;而气泡数目的增加和油流速度的增大则使得气泡聚并行为提前发生。在改变极间电压、油流速度、气泡数目、气泡相对位置、气泡尺寸时,气泡连接体内部最大场强与以上条件均表现为正相关。湍流和层流两种不同的运动状态并未对聚并时间产生较大影响,而对于气泡连接体内部最大场强,在改变油流速度和气泡相对位置时,两种运动状态表现为相反的变化规律,产生差异的原因主要是层流运动状态下气泡受到油流曳力而影响形变,湍流运动状态下并未受到影响。本文的研究结果对变压器油局部放电在线监测及改善绝缘性能有一定的积极意义。

关键词： 电力变压器   局部放电   时域有限差分法   特高频传感器   柔性蝶形天线  

摘要： 电力变压器作为电力系统中的核心设备之一,承担着电力传输及电压转换的作用。但变压器绝缘结构复杂、内部电压跨度大,并且受到温度、电场、机械等因素的影响,易引发绝缘故障。因此,研究变压器的绝缘状态对保障电网的安全稳定具有重要学术意义和应用价值。针对现行的变压器局部放电（partial discharge,PD）故障诊断方法,特高频法（ultra-high frequency,UHF）具有灵敏度高、抗干扰能力强等优势被广泛应用,但现有UHF检测法主要采用硬质UHF传感器检测,易受安装位置、尺寸以及变压器复杂结构的限制,导致传感器性能和安装结构等无法兼顾。为此,本文结合电磁场仿真技术和时域有限差分法（finite difference time domain,FDTD）开展了变压器UHF信号传播特性的研究;结合微波与天线理论、柔性天线技术设计了一款适用于变压器复杂结构的柔性UHF传感器,以此减少传感器的重复设计而造成的资源浪费,提高传感器的利用率。最后,搭建高压试验平台开展了柔性UHF传感器的可行性验证。论文主要包括以下内容:首先根据PD电磁波感应原理,对UHF传感器感应电磁波的相关参数进行理论分析。采用FDTD重点研究了PD UHF信号在变压器高压套管中的传播特性,主要分析了电磁波信号在变压器油箱、套管法兰、中部、顶部等位置的幅值及频谱特征,以及分析了电磁波信号在传播过程中的衰减特性及传播特点。为后文柔性UHF传感器的优化设计及安装位置的选取提供理论依据。接着主要针对传统蝶形天线进行优化设计,在此引入了指数渐变微带巴伦结构,并结合柔性天线技术,设计了柔性蝶形天线。蝶形天线在加入巴伦结构和经过柔性弯曲设计以后,其尺寸大小相对传统蝶形天线减少了40.9%,质量也大幅度减小。通过电磁仿真软件HFSS分析了在不同弯曲状态下柔性蝶形天线回波损耗S参数、电压驻波比（voltage standing wave ratio,VSWR）、方向图等的变化情况。仿真结果表明柔性蝶形天线经过柔性弯曲以后仍然具有良好的性能。最后搭建变压器PD试验平台,设计了两种人工绝缘缺陷模型。通过不同传感器之间的对比试验及柔性蝶形天线的弯曲试验,验证了柔性蝶形天线的弯曲及检测性能;根据变压器套管电磁波信号传播特性仿真以及UHF传感器相关试验,提出了柔性蝶形天线在变压器套管处的封装方案。试验结果表明柔性蝶形天线具有良好的弯曲性能,可有效应用于变压器套管处PD UHF信号的检测。

关键词： 三维集成电路   三维变压器   硅通孔   等效电路模型   磁耦合系数  

摘要： 变压器作为至关重要的片上集成器件,被广泛应用在各种模拟和射频电路中,然而随着集成电路不断朝着高性能、高集成度和小型化的方向发展,传统的平面类型变压器已不能更好的在高性能和低面积之间折中,为解决这一瓶颈问题,研究人员开始将目光投向三维变压器。基于TSV(Through-Silicon-Via,TSV)的三维变压器由垂直TSV和水平RDL(Redistribution layer,RDL)搭建而成,相比于传统平面类型,这种特殊的空间螺旋结构导致其具有更高的电感密度以及更强的耦合能力。 尽管TSV变压器是目前的研究热门,但对其等效电路模型的研究相对较少,绝大多数模型都是通过仿真或实验测量的方法提取元件参数,成本高且不具普适性。同时,由于等效电路模型未考虑高频效应的影响,导致其在高频段仿真时准确性较差。为此,本文针对TSV变压器的结构特性,提出了一种参数化的等效电路模型,具体的工作内容如下: 1、将基于TSV的三维变压器结构参数分为两类,即设计参数和工艺参数,利用电磁仿真软件分别研究各参数变化对于其性能指标的影响,并给出其背后的物理成因,分析过程有利于我们对TSV变压器进行更好的设计和优化。此外,限定TSV变压器和两种典型的平面变压器在硅衬底中所占面积相同,根据仿真结果总结三维变压器的性能优势。 2、针对三维变压器的耦合系数提取困难问题,提出了一种能够准确计算k值的解析模型。为降低复杂度,该模型将三维变压器分为垂直TSV和水平RDL两组阵列,利用解析公式分别求解各自的自感以及部分互感,之后根据耦合系数的定义进一步计算出k值。将模型的计算值分别与HFSS和Q3D的仿真值比较,最大误差分别为4.4%和3.8%,且极大地缩短了计算时间。同时,通过改变不同设计参数的取值,进一步验证了该解析模型的可伸缩性。 3、基于TSV的三维变压器由两个三维电感螺旋缠绕而成,为此TSV变压器的等效电路模型采用了两个对称的“π”模型结构,为保证其在更宽频带的准确性和适用性,加入了一些能够模拟高频效应的电路结构,并综合考虑了端口之间的耦合电容。此外,等效电路模型中的各元件参数均可以通过闭式表达式计算得到,只需给定TSV变压器的物理设计参数,便可通过仿真确定其性能指标。通过对比HFSS与ADS的仿真结果验证了该模型的准确性和伸缩性。

关键词： 变压器   差动保护   励磁涌流   电流互感器饱和   电弧故障电流  

摘要： 电力安全是保障能源安全供应之需,是保护人民群众生命财产安全、维护改革发展大局之要。电力变压器作为电力系统中最重要的设备之一,其安全稳定运行尤为重要。然而,受自身电磁特性和外部运行环境影响,电力变压器在复杂工况及故障冲击下的继电保护动作正确率长期偏低,致使电网面临严重安全风险。其中,尤以励磁涌流、电流互感器(Current transformer,CT)饱和、电弧故障等最为棘手,最易引起变压器差动保护错误动作,成为阻碍电力变压器继电保护技术发展的关键难题。 首先,本文论述了变压器差动保护的动作特性,探究了变压器励磁涌流、CT饱和及电弧故障的形成机理、波形特征和影响因素。从多个方面对比了现有励磁涌流识别方法,并且在考虑励磁涌流、CT饱和及电弧故障等干扰情况下,对已有的传统方法进行了分析与评价。 为避免励磁涌流及CT饱和干扰下电力变压器差动保护的错误动作,分析了CT饱和对传统变压器励磁涌流识别方法的干扰问题,提出了一种基于特征数据判定的变压器故障信号辨识方法。根据差动电流波形变化率差异,采用特征数据识别常规故障电流;通过辨识电流形式,识别单向励磁涌流;针对饱和故障电流的识别问题,对特定取值区域内的波形数据进行多元线性回归拟合,利用正弦系数辨识饱和故障电流。 进一步,既要保障变压器差动保护不受励磁涌流与CT饱和的干扰,又要抵抗电弧故障干扰的威胁,提出了一种基于四分法的变压器差动保护防误动方法。具体地,第一步考虑到实际工况下励磁涌流波形的单向特性,通过单向指数(Unidirectional index,UI)识别单向励磁涌流;第二步,通过干扰数据滤除后进行分段拟合求出四分相似性指数(Quartering-based similarity index,QSI),克服了整体拟合的缺陷,实现故障电流与励磁涌流的辨识。最后,对已有方法进行对比分析,体现出本文所提算法在多干扰下的优越性。 最后,利用MATLAB和PSCAD/EMTDC仿真软件搭建了变压器扰动与区内故障仿真模型,进行算法仿真测试。此外,利用实际现场录波数据、动态模拟实验室实际变压器测试系统和电弧故障平台,进行了实验测试。测试结果均表明,所提方法即使在上述各种干扰影响下仍能可靠辨识电力变压器故障电流,保障变压器差动保护的正确动作。 目前随着电力系统工况越来越复杂,传统的识别方法在面对一项或多项干扰时准确性严重降低,所提方法从多方面进行考量,充分利用了励磁涌流、CT饱和及电弧故障等干扰的不同特征,能对多干扰下的变压器故障电流进行准确辨识,保障电力系统安全稳定运行。 图47幅,表5个,参考文献72篇。

关键词： 电力电子变压器   级联H桥   双有源桥   虚拟同步机  

摘要： 在环境问题日益突出的今天,新能源的应用成为一个亟待解决的问题。在传统变压器基础上,引入了电力电子变换技术的电力电子变压器(Power Electronic Transformer,PET)应运而生。PET具备灵活控制功率流向、隔离故障与谐波、提高电能质量等优点,在解决风能、水能等分布式电源可靠并网方面前景广阔。因此,为了更好地实现PET的功能,对其控制策略的研究十分关键。级联H桥(Cascaded H-bridge,CHB)型PET是目前广泛应用的一种PET,由整流级、隔离级、逆变级构成。对整流级并网的研究,大部分都是建立在理想的电网环境下,但是在实际电网中,经常会出现三相电压不平衡的现象,这种现象可能由于短路故障、负荷不平衡等原因导致,针对此问题,在传统虚拟同步机(Virtual Synchronous Generator,VSG)控制策略的基础上,采用了一种电网电压不平衡时的改进VSG技术,以实现多目标控制。又有PET的逆变级输出侧带不平衡负载时,输出电压会出现严重不平衡的现象,对主网影响很大,因此,为了解决这个问题,采用了一种具备带不平衡负载功能的逆变级的VSG控制策略。对整流级、隔离级、逆变级的控制策略具体设计如下。电网电压不平衡时,整流级主要采用改进的VSG控制策略:在dq坐标系下,利用电流平衡VSG控制策略得到基准正序电流指令,结合电网电压不平衡参数以及瞬时功率数学模型,得到不同控制目标下的正、负序电流指令值,并分别对正、负序电流指令进行跟踪得到正、负序电压调制信号,将正、负序电压调制信号合成为最终调制信号,同时,整流级还结合了子模块均压、相间均压以及载波移相调制(Carrier phase-shifted SPWM,CPS-SPWM)技术。针对逆变级带不平衡负载时输出功率含有二倍频波动分量的问题,在传统VSG控制策略的基础上,采用了一种在电压环中利用比例积分(Proportional integral,PI)和比例谐振(Proportion resonant,PR)复合控制的改进VSG控制策略,其中PI控制器用于实现dq轴电压分量中直流分量的无差跟踪,PR控制器用于实现二倍频交流分量的无差跟踪。另外,隔离级采用开环控制方式,其高低压两侧均为占空比为50%的方波。在Matlab/Simulink仿真环境中,搭建整流级、隔离级、逆变级以及整机仿真模型。仿真结果为:电网电压不平衡时改进的VSG控制策略能够分别实现电流平衡、有功功率以及无功功率的恒定;开环控制策略能够使隔离级实现低压直流电压稳定输出,且功率传输效果良好;具备带不平衡负载功能的改进VSG控制策略在逆变级负载突然增大后,仍能维持频率、电压的稳定,消除二倍频波动,且输出稳定的三相电压,效果较传统VSG控制策略有所提升。仿真结果验证了控制策略的正确性与有效性。

关键词： 气泡   动力学   电场   振动   油纸绝缘  

摘要： 电力变压器是电网输配电系统的核心装备,变压器故障会造成严重的经济损失,对变压器开展检测和运维可有效增加其工作寿命,降低运行成本。在变压器的运行过程中热、电和振动应力会不可避免地产生气泡,而气泡的迁移和积聚可能导致设备的绝缘退化和失效。揭示变压器绝缘系统中气泡的产生、迁移和积聚机制仍存在挑战,仍需揭示气泡动力学特性的作用机制。现有研究主要针对非电场环境下的气泡动力学,有必要进一步研究机械振动和电场应力耦合作用下变压器中气泡的运动特性和作用机理。实验探究了电力变压器中气泡的迁移和扩散特性。为观测电力变压器中的气泡迁移行为,开展了变压器中气泡运动观测实验,研究了绝缘油中单个气泡的受力特性,以及振动和电场与油中气泡的交互作用。实验结果表明,在变压器油中,两相界面处的气泡会产生极化电荷,而极化电荷产生的电场与外加电场的叠加产生了非均匀的电场畸变,进而导致了气泡轨迹的变化。气泡向均匀的低电场区域迁移,场强增大会促进气泡的迁移,此外,相较于大尺寸气泡,小尺寸小更容易受到不均匀电场力的影响。根据实验测试,在电场力作用下气泡呈现周期性形变,并在移动过程中拉伸和振荡。在高场强作用下,不均匀电场首先导致气泡速度首先下降,在惯性作用下两个气泡碰撞后相互吸附并向上迁移。同时,强电场环境改变了气泡-液体的界面电荷,使大尺寸气泡分解为小尺寸气泡。当形成连续气泡时,电场分布变得不均匀,小尺寸气泡呈锯齿状上升行为,气泡上升速率随振动频率的增大而逐渐减小,同时畸变了气泡附近的电场分布,畸变系数随振动频率的增大而增加。此外,仿真分析了振动和电场作用下油变压器单分散气泡膨胀的动力学行为,以解释实验获得的气泡迁移行为。建立了气泡迁移的二维模型,并求解Navier-Stokes方程、振动方程和电场方程,采用水平集方法跟踪气泡上升的轨迹和形状,获得了电场、振动频率、振幅、气泡大小对气泡运动和形变的影响。结果表明,气泡内部的电场相对均匀,但畸变了气泡附近的电场,场强增强系数约为1.44。气泡垂直分布会导致两个气泡间的电场增强,但气泡内部场强均匀;而当气泡足够接近时,气泡内部的电场发生严重畸变,气泡内部场强仍未畸变,场强增强系数在1.3～1.4范围内。此外,相较于大尺寸气泡,小尺寸气泡的场强增强系数更大。振动条件下,气泡内部的压力随振动频率而改变,而气泡内部的场强则随振动频率的增加而增大,较小的振幅使得气泡的迁移速率达到峰值。振动应力有助于气泡的分解频率和迁移速度,气泡上升速率随振动频率的增加而减小,畸变系数随振动频率的增加而略微增大。同时,振动频率或振幅的增加会导致气泡形变,使气泡变为椭圆形或扁平状,电场和振动应力的耦合作用加剧了气泡的形变,使气泡容易积聚。由于上部初始气泡的运动,滞后气泡受到轻微的阻力,振幅会增加气泡积聚。在气泡的团簇形成前,来自两个相邻源的气泡会朝着轴向移动。实验也验证了上述分析的正确性。进一步地,研究了油纸绝缘表面气泡迁移导致的沿面闪络,以及闪络后产生的气泡特征。分析气泡的受力特性,对于一定尺寸的气泡运动至电极附近,所受电场梯度力远大于浮力,而油纸绝缘表面气泡桥接特性主要受介电泳力的影响,当电场强度大于2×104V/cm时气泡发生碎裂。在油纸绝缘中,气泡导致的沿面闪络发生在上端部,相较于无气泡时,油纸绝缘的闪络电压降低了 28%,而气泡对油中绝缘的放电电压影响较小。相较于积聚在电极和油纸之间的气泡,油纸表面的气泡迁移对沿面闪络和油中击穿电压几乎没有影响。积聚在电极和油纸间的微小气泡会产生较大的能量和火花,这些火花将导致油纸绝缘的沿面闪络。而局部放电和沿面闪络会导致更多的油中气泡积聚。上述研究分析了电力变压器中振动和电场耦合作用下的气泡动力学,为解决变压器中气泡产生的绝缘问题提供理论基础。